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물리학에 대칭의 개념을 적용시켜 보면 특정한 물리법칙, 예를 들면 보존법칙인 경우 대상입자의 좌표(4차원을 고려할 때는 시간도 포함됨)에 대칭조작을 해도 영향을 받지 않는다는 중요한 결론을 얻을 수 있다. 즉 이 법칙은 우주의 모든 시간과 공간에서 성립한다는 것이다. 입자물리학에서는 대칭성을 이용하여 보존법칙을 유도해낼 수도 있고, 입자들 간의 상호작용중 일어날 수 있는 것과 그렇지 못한 것(즉 '금지'되었다고 하는 것)을 결정할 수 있다. 그밖의 여러 물리학·화학 분야에서 대칭성이 이용된다.

관련된 분야로 상대론·양자론·결정학·분광학 등을 들 수 있다. 결정이나 분자는 가능한 대칭조작의 종류나 개수로 기술할 수 있다. 대칭조작을 정량적으로 다루는 학문을 군론이라 한다. 이때 유효 대칭조작이란 대칭조작을 해도 물체의 모양이 변하지 않는 것을 말한다. 이 조작의 종류나 개수는 조작을 할 물체의 기하학적인 모양에 따라 다르다.

예를 들어 탁자 위의 정4각형을 가지고 대칭조작이란 무엇이고 어떤 종류가 있는지 설명할 수 있다. 이 정4각형에 있어서 유효 대칭조작으로는 4각형의 정가운데를 중심으로 90°, 180°, 270°, 360° 회전시키는 것, 마주보는 두 꼭지점이나 변의 중점을 지나고 탁자에 수직한 거울면을 통한 반사, 탁자면에 놓여 있는 거울면을 통한 반사 등이 있다. 이렇게 해서 원래의 정4각형과 똑같은 모양을 만들어내는 대칭조작은 9가지가 있다. 그러나 원일 경우는 더욱 대칭성이 높아서 90°의 정수배뿐만 아니라 임의의 어떤 각도로 회전시켜도 그 모양에 변화가 없다.

원자구성입자는 다양한 특성을 가지며 대칭성을 갖는 힘에 영향을 받는다. 이러한 특성 가운데 하나로서 반전성보존법칙을 낳는 반전성(parity)이 있다. 양자역학에서는 모든 소립자나 원자를 파동방정식으로 표현할 수 있다. 만약 이 입자의 모든 공간좌표를 원점에 대해 동시에 반전시켜도 그 파동방정식이 변하지 않는다면 이 입자는 우반전성(even parity)을 가진다고 하며, 그와는 달리 원래의 파동방정식과 부호만 다르다면 기반전성(odd parity)을 가졌다고 한다.

분자와 같이 여러 입자들이 모였을 때도 전체의 공간반전성은 시간에 따른 물리적 과정이나 상호작용에서 변하지 않는다. 이러한 성질을 공간반전성 보존법칙으로 설명할 수 있다. 입자의 또다른 특성 중에는 스핀이나 입자의 고유 각운동량이 있다. 원자 내부의 전자는 양자화된 에너지 준위를 가질 뿐만 아니라, '위' 또는 '아래'로 향하는 양자화된 스핀도 있다. 스핀 각운동량은 보존된다고 알려져 있다. 만약 분자를 구성하는 모든 전자의 스핀 방향이 동시에 반전된다고 해도 그 분자의 성질은 변함이 없다.

소립자들은 내부 대칭성을 가졌다고 할 수 있는데, 이러한 대칭성은 특히 입자들을 분류하고, 선택법칙(selection rules)을 유도할 때 편리하다. 이러한 내부대칭성을 중입자수(baryon number)라고 하며, 이들 입자들은 강입자(hadron)라고 한다. 중입자수가 0인 입자들은 중간자(mesons)라 하고, ＋1인 것을 중입자라고 한다. 대칭성에 따라 중입자수가 －1인 입자도 존재하며, 반중입자라 한다. 이러한 중입자수는 핵의 상호작용 중에도 보존된다.